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Efficient Photoelectrochemical Transformation of CO2 to Useful Fuels on Nanostructured Hybrid Electrodes

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Fotoelettrodi ibridi promuovono la produzione di combustibile solare

La produzione di combustibile solare si avvale della fotosintesi artificiale per ottenere sostanze chimiche dall’anidride carbonica. HybridSolarFuels ha sviluppato tecniche a prova di concetto per future applicazioni energetiche rinnovabili che potrebbero offrire alternative sostenibili ai combustibili fossili.

Energia
Ricerca di base

La produzione di combustibile solare si avvale della luce artificiale o naturale per trasformare molecole stabili e abbondanti, tra cui l’acqua o l’anidride carbonica, in sostanze chimiche ad alta energia. Tale processo fotoelettrochimico è una tecnica energetica sostenibile particolarmente appetibile, poiché in via di principio richiede solo energia dalla luce (fotoni), acqua e/o anidride carbonica e un catalizzatore. In un contesto in cui le applicazioni commerciali stanno ancora aspettando alcune innovazioni tecnologiche significative, HybridSolarFuels (Efficient Photoelectrochemical Transformation of CO2 to Useful Fuels on Nanostructured Hybrid Electrodes), un progetto sostenuto dal Consiglio europeo della ricerca, sta sviluppando un approccio ad alte prestazioni attraverso l’impiego di fotoelettrodi ibridi composti da diversi componenti. «Il fattore fondamentale per garantire un’elevata efficienza di conversione solare-chimica è quello di progettare le interfacce utilizzando materiali nanostrutturati e sofisticati processi di sintesi», spiega Csaba Janáky, ricercatore principale del progetto dell’Università di Seghedino in Ungheria. Un altro risultato è lo sviluppo di celle elettrolitiche a flusso scalabili. Nonostante tali celle non siano qualificate come celle fotoelettrochimiche, poiché non utilizzano direttamente la luce, sono il primo passo verso il raggiungimento di suddette celle.

Ispirati dalla natura

Inizialmente, HybridSolarFuels ha affrontato due sfide notevoli. Dato che la CO2 è una molecola inerte, è necessaria molta energia per trasformarla in prodotti utili come il metanolo; ciò rende determinante la selezione del giusto catalizzatore. È complicato trovare catalizzatori adatti da integrare in celle fotoelettrochimiche. Un’altra sfida consisteva nel fatto che la maggior parte della ricerca pregressa era stata condotta in lotti di celle. È impegnativo trasferire tali risultati in applicazioni specifiche poiché i tassi di conversione industriale possono solo essere ottenuti in celle a flusso in cui l’anidride carbonica viene costantemente alimentata. Nella fotosintesi naturale, ciascun componente del sistema possiede una funzione specifica. Partendo da questo, HybridSolarFuels ha progettato elettrodi composti da diversi componenti: uno per l’assorbimento luminoso, uno per il trasporto del portatore di carica e un altro per la reazione catalitica a livello superficiale; tali componenti sono stati uniti su scala nanometrica. Ad esempio, diversi semiconduttori di tipo p sono stati usati per assorbire la luce nel gruppo di fotoelettrodi dove il team ha fatto una scoperta inaspettata. «Siamo stati tra i primi a utilizzare film di perovskite in alogenuro di piombo direttamente come fotoelettrodi. Ciò ha condotto a importanti scoperte per quanto riguarda il ruolo primario che i buchi fotogenerati svolgono nei processi di corrosione di tali materiali eccitanti», afferma Janáky. Dopo avere eseguito studi di caratterizzazione per stabilire la cristallinità, la morfologia e la composizione chimica ottimali dei nuovi fotoelettrodi, questi sono stati inclusi nelle cellule elettrolitiche a flusso continuo, che sono state sottoposte a diversi studi fotoelettrochimici, nello specifico per valutarne l’efficienza di conversione solare-chimica (ossia il numero di fotoni nella luce solare che sono effettivamente trasformati in energia chimica). «È stato dimostrato che i fotoelettrodi ibridi hanno superato gli elettrodi a singolo componente», aggiunge Janáky.

Un distruttore ecologico

Il successo del Green Deal europeo, con il suo obiettivo di neutralità carbonica entro il 2050, dipenderà da nuove tecnologie dirompenti. La conversione dell’energia solare in sostanze chimiche e combustibili di elevato valore potrebbe essere una tale tecnologia. La conversione fotoelettrochimica dell’anidride carbonica potrebbe generare sostanze chimiche, tra cui l’acido formico, il monossido di carbonio, il metanolo e l’etanolo, riducendo la domanda di materie prime derivate da combustibili fossili e quindi le emissioni di CO2 da parte dell’industria chimica. Attualmente, il team sta analizzando la sostituzione dell’ossidazione dell’acqua nel processo di riduzione elettrochimica di CO2 con qualcosa di maggiore valore economico. «Come sottoprodotto della produzione di biodiesel, ora abbiamo un’eccedenza di glicerina che potrebbe essere trasformata in sostanze chimiche a elevato valore quali l’acido formico, che viene usato, tra altri impieghi, per la conservazione di mangime per il bestiame», dichiara Janáky. Per quanto riguarda le applicazioni, il gruppo continua a sviluppare le proprie celle fotoelettrochimiche a flusso continuo.

Parole chiave

HybridSolarFuels, combustibile solare, fotoelettrochimica, anidride carbonica, glicerina, celle elettrolitiche, fotoelettrodo, semiconduttore, cella elettrolitica, catalizzatore, energia

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